主汽壓力偏差容忍法在大型超臨界火電機組協調控制系統中的應用

張建志，丁永允

(遼寧電力科學研究院，沈陽市110006)

0 引言

在現代火力發電機組控制系統中，機爐協調的控制方法已經被廣泛應用，該方法主要解決機組的2個被控量(功率和主汽壓力)與機組的2種主要控制手段(鍋爐主控與汽機主控)的關系問題。協調控制系統的根本在于鍋爐主控，但由于燃煤鍋爐的大慣性特點，盡管可以采取的克服鍋爐熱慣性的方法很多，但效果卻總難以讓人滿意［1-3］。于是，如何控制汽機主控系統，使其在固定的蒸汽流量下，更加有效地在機組功率與主汽門前壓力之間形成協調，成為人們越來越關注的問題。本文以中電投白城電廠協調控制邏輯為例［4］，介紹大型超臨界火電機組的協調控制系統，重點論述主汽壓力偏差容忍法在汽機主控制系統中的應用。主汽壓力偏差容忍法來源于國外機組，目前已經在國內很多大型火電機組中得到成功應用，該方法邏輯簡單、構思巧妙、控制高效，是一種值得推廣的好方法。

1 中電投白城電廠概況

中電投白城電廠工程新建2臺600 MW超臨界燃煤空冷發電機組，配置哈爾濱鍋爐廠生產的超臨界、變壓運行直流鍋爐及哈爾濱汽輪機廠生產的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、沖動凝汽式汽輪機;采用上海福克斯公司(FOXBORO)提供的I/A分散控制系統(distributed control system，DCS);采用以鍋爐跟隨為主的協調控制方式。該電廠設計煤種為霍林河煤礦出產的褐煤，鍋爐的熱慣性很大，通過測試可知，從煤量的變化到蒸汽的變化，時間約為8 min。

該電廠協調控制系統鍋爐主控的邏輯構成同國內多數同類機組的相類似，都采用以負荷－煤量曲線為主前饋，以主汽壓力偏差為主調節的控制方式。汽機主控的控制方式與傳統的份額法不同。份額法的汽機主控調節部分輸入偏差由2個部分構成，一部分是功率偏差，占大份額，另一部分是主汽壓力偏差，占小份額，二者作用相反，但每時每刻都同時起作用。該機組汽機主控采用主汽壓力偏差容忍法，同份額法相比，偏差容忍法控制功率的效果更好，對負荷變化的反應更快;缺點是對壓力的控制相對較弱，但不會超出設定的極限值［5-7］。

2 鍋爐主控制系統

該電廠的協調控制系統鍋爐主控是以負荷確定的給煤量作為控制的主體前饋部分，以機前壓力調節作為控制的修正部分，以主汽壓力的微分作為其加速部分，其控制邏輯如圖1所示。

圖1中，塊MATH_15_1是PID調節器的前饋部分，包括塊CHARC_8提供的負荷折算出的給煤量部分和塊MATH_11_1給出的主汽壓力偏差的微分部分，該前饋部分是控制的主體。塊MATH_7_1輸出的是主汽壓力偏差，該偏差通過PID調節器調節，變成鍋爐主控的修正部分，協調系統處于穩態時，該修正部分的輸出量應該很小。

3 汽機主控制系統

該電廠協調控制系統汽機主控采用主汽壓力偏差容忍法。所謂主汽壓力偏差容忍法，就是設定一個主汽壓力極限偏差，如0.7 MPa，該偏差是主汽壓力設定值與主汽壓力實際值偏差的絕對值，也是人為給出的一個允許在協調系統中因調解功率而造成主汽壓力調節的最大偏差值。當主汽壓力偏差小于此值時，汽機主控調節功率，當主汽壓力偏差超過此值時，汽機主控轉而控制機前壓力。汽機主控邏輯如圖2所示。

圖1 鍋爐主控邏輯Fig.1 Boiler main control logic

圖2 汽機主控邏輯Fig.2 Turbine main control logic

圖2中，塊MATH_18_1是機組負荷指令與實際負荷的偏差;塊SWCH_162是正偏差容忍值選擇塊，當正常工況時選擇正偏差容忍值為0.7 MPa，協調變負荷時選擇正偏差容忍值為1.2MPa;塊SWCH_162_1是負偏差容忍值選擇塊，分別為－0.7 MPa和－1.2 MPa;塊MATH_30中正偏差容忍值與主汽壓力偏差值相減，乘以系數26是為了將主汽壓力偏差值與負荷偏差值統一到1個量綱上去，便于比較大小，“26”是由功率量程與主汽壓力量程相除得到的;塊MATH_31中負偏差容忍值與主汽壓力偏差值相減;塊SIGSEL_46是小選模塊;塊SIGSEL_47是大選模塊;塊MATH_29中的系數0.166是對PID輸入偏差起標化作用。下面分別以負荷上升和負荷下降階段為例，分析主汽壓力極限偏差法的工作過程。

3.1 升負荷時主汽壓力偏差未超過容忍值并且小于功率偏差

在機組升負荷爬坡階段，若機組負荷實際值與主汽壓力實際值都沒有達到各自的設定值，二者都是正偏差，但主汽壓力控制得好，壓力偏差較小，如圖3所示。圖3水平軸表示統一量綱后的壓力偏差和功率偏差，豎直軸是偏差正負值的分界線，O點左側為負偏差，右側為正偏差。統一量綱后，主汽壓力偏差為A1，功率偏差為B，正壓力容忍值為D。則塊MATH_29_1的輸出較小，塊MATH_30的輸出較大，經塊SIGSEL_46低選后功率偏差輸出，而塊SWCH_162_1得到的是一個負數，經塊SIGSEL_47高選后，仍然是功率偏差輸出。由于PID用的是正向控制，正的功率偏差輸入給PID后，PID調節輸出增大，汽機調節門開大，機組功率升高。這是升負荷過程中汽機壓力調節得好的情況，即主汽壓力偏差落在O、B之間的情況，汽機主控絲毫不用顧及主汽壓力，單純根據功率偏差來調節功率。

圖3 壓力容忍法示意圖Fig.3 Pressure tolerance method

3.2 升負荷時主汽壓力偏差未超過容忍值但大于功率偏差

升負荷過程中，主汽壓力控制得不好，但未超限，如圖3中主汽壓力偏差A2落到了B、D之間。壓力偏差較大，但沒有超出偏差容忍值，即塊MATH_29_1輸出的數較大，經塊MATH_30相減后得到一個較小的正數。此數比MATH_18_1的輸出值小，經塊SIGSEL_46小選后主汽壓力偏差與容忍值的差被輸出，因為塊MATH_31還是負數，所以塊SIGSEL_47大選后還是主汽壓力偏差與容忍值的差被輸出。由于是正偏差，汽機調節門繼續開大，功率繼續攀升，但此時已經不是按照功率偏差值進行調節了，而是按照較小的主汽壓力偏差與容忍值的差來調節，即圖3中A2與D之間的距離來調節。A2與D之間距離越近，閥門開啟得越小，也就是說，當壓力偏差離壓力容忍值很近時，雖然還在調節功率，但已經充分考慮了壓力的影響，對功率的調節幅度被大大地減弱了。

3.3 升負荷時壓力控制得不好已超過容忍值

如圖3中A3落在D外，正壓力容忍值減去壓力偏差，得到負數，塊MATH_30是負數，而塊MATH_18_1輸出的是正數，被選小輸出，在大選中選大，也能輸出，經PID后，因為是負數，所以閥門關小。可見，因為此時主汽壓力偏差已經超過了容忍值，不能再被容忍下去，此時只能犧牲功率來維護壓力了。

3.4 降負荷時壓力偏差未超過負向容忍值并且偏差絕對值也較功率偏差小

降負荷過程中，機組由大功率、高壓力向小功率、低壓力變化，實際功率值和實際主汽壓力都比設定值要大，二者都是負偏差。若主汽壓力控制得好，則壓力偏差較小，如圖3中A4，功率偏差則為 G，塊MATH_30輸出的是正值，塊MATH_18_1輸出負值，塊SIGSEL_46選小，負值被選，塊MATH_31輸出的也是負值。由于壓力偏差控制得好，所以塊MATH_31輸出的值絕對值大，實際數小，塊SIGSEL_47大選后，塊MATH_18_1的輸出被選，也就是功率偏差被選，PID輸出減小，關調節門。也就是說，此時完全按照功率偏差進行調節，不考慮壓力控制。

3.5 降負荷時壓力偏差未超過容忍值但超過了功率偏差

降負荷過程中，若主汽壓力控制得不好，功率和主汽壓力都是負偏差，壓力偏差絕對值已超過功率偏差絕對值，但壓力偏差未超過壓力容忍值，如圖3所示壓力偏差為A5。最終應是一個以E、A5之間距離為絕對值的負數被選出，該數的絕對值要比功率偏差的絕對值小。也就是說，此時汽機調節門仍然被關小，但已經是有節制的關小，調整機組功率的同時，也顧及了主汽壓力的調節。

3.6 降負荷時壓力偏差超過容忍值

降負荷過程中，主汽壓力調節超限，如圖3所示主汽壓力偏差A6落到了壓力偏差容忍值之外，則塊MATH_31出現了正值，被選后交PID調節，PID調節器輸出增大，汽機調節門開大，功率上升，主汽壓力下降。此時因為壓力超過了容忍值，已經不得不犧牲功率調節來彌補壓力調節。

通過以上6種工況的分析可以得出壓力容忍法的動作規律，從圖3中可以看出，只要壓力偏差落在預設的壓力偏差容忍值之內，汽機主控都是調節功率的，但調節的程度不同;如果壓力偏差比同量綱的功率偏差小，則汽機主控全力來調節功率;如果壓力偏差比同量綱的功率偏差大，也就是說壓力調節的效果較差，但仍未超過容忍值，則雖然也調節功率，但此時已考慮了壓力調節的因素，調節功率的程度較弱;如果壓力偏差落到了壓力容忍值之外，則忍無可忍，需要放棄調節功率，直接來調節主汽壓力。

4 實際應用效果

中電投白城電廠協調方式下機組運行曲線如圖4所示。

圖4 協調方式下機組運行曲線Fig.4 Unit operation curves under coordination mode

從圖4中可以看出，負荷實際值曲線對負荷設定值曲線的跟隨是很好的，說明機組的負荷指令具有良好的適應性;而壓力實際值對壓力設定值的跟隨略有偏差，但偏差不超過某個限定值，這說明協調系統對壓力的控制能力稍差，但也控制在一定范圍之內，滿足火力發電企業有關驗收標準［8-9］。

5 結語

本文介紹的壓力偏差容忍法，只是一種在鍋爐蒸汽流量一定的前提下進行分配的方法，從控制回路可以看出，該方法是以功率控制為主，盡可能地滿足機組對功率的要求，這是為了適應電網對機組負荷控制越來越高的要求。但是，當主汽門前壓力偏差到了一個危險階段時，汽機主控將不再顧及功率的需要，轉而去控制主汽壓力。壓力偏差容忍法在中電投白城電廠2臺600 MW超臨界機組中的應用實踐表明，該方法對負荷變化的反應很快，能最大程度地發揮汽機主控調節功率的作用;對壓力偏差有最終限制底線，不會讓主汽門前壓力達到不能容忍的程度，具有很好的控制效果。目前，除了在白城電廠應用外，此方法還在國電康平2臺600 MW機組和山東鄒縣2臺1 000 MW機組上得到了應用，并取得了良好的效果。

［1］王中勝，夏明，趙松烈，等.北侖1 000 MW超超臨界機組協調控制策略分析及優化［J］.電力建設，2010，31(1):87-90.

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